“引力波”并不高大上,这么一说你就懂了!

摘要: 2月11日晚11点半,美国国家自然科学基金会携加州理工、麻省理工的物理学家向全世界宣布:他们已经

03-30 01:33 首页 cuplfxy-cn

      2月11日晚11点半,美国国家自然科学基金会携加州理工、麻省理工的物理学家向全世界宣布:他们已经探测到了引力波。

  LIGO的两个观测站探测到了同一个引力波事件。上面为观测得到的曲线,下面是和理论相比较之后的拟合结果。(来源于LIGO所发文章)

  很多人可能是第一次听到“引力波”这三个字。它是什么?

  和周立波、黄海波、红掌拨青波有什么关系?它有什么用?可不可以吃?为什么大家这么激动?它有这么重大的意义吗?

  事情简单点说就是这样的……

  对于天文届来说,昨夜注定是不眠夜!现在开始科普一下啥是引力波(已经懂的学霸可以跳过~)反正不是这种哈!

  1什么是“引力波”

  在讲引力波之前,我们先说说大家更为熟知的电磁波。

  100 多年前人类发现了电磁波,后来我们拥有了微波炉、手机信号、WIFI和GPS定位系统。

  和电磁波类似,就万有引力的认识,爱因斯坦这个科学巨人认为牛顿之前的理解太naive,在爱因斯坦的相对论中,认为万有引力是一种跟电磁波一样的波动,称为引力波。

  牛顿啊,你还是too young too simple,sometimes naive!

  如果无法想象理解我们换个说法。爱因斯坦认为引力是由于时空的扭曲产生的。

  就像是一个铁球放在一块平铺的毯子上。球放上去,毯子中间会凹陷进去(时空扭曲),铁球越重(天体质量越大),凹陷就会越厉害(时空扭曲越严重)。

  而如果这个铁球是运动的,“凹陷”这个状态便会向周围传播开去,就像是平静的水池里丢进了一颗小石头。那么,如果有两个这样的铁球相互“旋转,跳跃,我闭着眼”呢?

图片来源:Piled Higher and Deeper (PHD Comics)/youtube.com

  就像上图所示,那种凹陷的状态会以波的形式向外传递开去。起伏,震颤,波浪……你可以用各种各样的词形容你在上图看到的“时空扰动”。这种变化以波的形式向外传播,用听起来很厉害的说法讲,就是“引力波”,换文艺点的说法讲,就是“时空的涟漪”。

  但是,爱因斯坦当时这个想法并没有得到广泛认可和证实。

  2“引力波”有什么用

  首先明确一点,它不能吃,嗯。

  然后,由于引力波与物质的相互作用非常弱,在传播途径中基本不会像电磁波那样容易发生衰减或散射,这意味着它们可以揭示一些宇宙角落深处的信息,例如宇宙诞生时形成的引力辐射至今仍然在宇宙间几乎无衰减地传播,这为直接观测大爆炸提供了仅有的可能。

  我们可以通过引力波,去窥探宇宙最深处、最原始的奥秘了,甚至是看到宇宙的源头!

  当然,还有很重要的一点就是:证明爱因斯坦老爷子的猜想是对的!

你看我又猜对!信我得永生!

  3我们怎么探测到它

  引力波非常难以测量,因为当他们到达地球的时候已经变得非常非常非常弱了……

  但是,这没有难倒智慧勇敢的地球人!地球人发明了激光干涉测量的方法!

  简单地说通过测量两条激光束相遇的时候所形成的干涉图样的变化来探测引力波。这些图样依赖于激光束的传播距离,当引力波穿过时会引起激光束的传播距离微小变化,通过干涉图样的变化便可以看出来了。(嗯,如果你本科做过物理光学实验……你懂的)

  这种称之为激光干涉计的探测器的灵敏度,是与激光传播的距离成比例的。现在世界上有LIGO和GEO 600这两个工具,用来测量引力波即时空结构中的波动。因为探测器需要寻找的是很微弱的信号,所以需要 LIGO 和 GEO 的尺寸相当大。

  而宣布探测到引力波的那个家伙有多大呢?横竖都是4km,你们感受一下。

  位于华盛顿州汉福德的一台LIGO。另一台LIGO在美国路易斯安那州的列文斯顿。图片来源:i2u2.org

  但是即使是这样大的尺寸还显得很捉急,它每年能遇见的引力波事件大概在万分之一件到一件之间,你看这花了几十年才探测到一次。此生为了遇见你,愿花光我平生所有运气,这大概就是这群科学家们的最佳BGM……4我们为啥这么鸡冻

图片来源:微博@狼狼枪

  美国LIGO的科学家说:「所有信号都与爱因斯坦100年前所做的预言完全吻合」。爱因斯坦,你真的不是上一个宇宙文明发配到地球指点迷津的??

  在电磁波被发现100多年以后的今天,引力波被找到了。它是唯一可以在高维时空中传递的波,引力波可以给我们提供我们宇宙几乎无阻挡的图景,而这个几乎是无法利用我们熟知的电磁波来达到的。比如,利用引力波,我们可以看到宇宙的最早期,宇宙大爆炸之后的1.0E-36秒开始的宇宙形成过程。

  可以想象,在《星际穿越》电影中的结尾之时,主人公库珀身处一个5维时空的超体方体中,为了将从黑洞中心所提取出来的信息传递给身处4维时空的女儿墨菲,人为的制造引力波效应,成功将信息传递,从而人类得以解救。说不定在不远的将来,我们也可以依靠引力波来判断多重宇宙的存在与否。

  或者和科幻小说《三体》中描述的那样,引力波被人类用于星际通讯领域,小说里的幻想会变成现实吗?

  也许你要说,哎,都是科学界的事儿,跟偶们好像没什么影响哦!

  大错特错!

  连两个黑洞都玩着玩着就在一起了,然后产生引力波发射到地球。这算不算有史以来,在情人节前夕对单身狗最猛烈的一次冲击?!

  连最宇宙最神秘的引力波都探测了,你连男/女朋友都还找不到?!



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